Ecotoxicologie Marine

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Ecotoxicologie Marine Biochimie de la
Pollution
Krishna Das
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Plan du cours

• 1. Introduction
• 2. Comment mesurer limpact dun polluant?
• 3. Répercussion sur les écosystèmes
• 4. Classification des polluants
• 5. Les métaux traces
• 6. Les organochlorés et autres micropolluants
• 7. Dégradation et métabolisation des
  micropolluants
• 8. Etude de cas La Mer dAral

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1. Introduction

• Quest-ce que lécotoxicologie?

4
1. Introduction

• Lécotoxicologie est létude de la prédiction
  des effets des polluants sur lenvironnement (y
  compris lhomme)

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1. Introduction

• Ecotoxicologie Science dont lobjet est létude
  des modalités de contamination de lenvironnement
  par les agents polluants naturels ou artificiels
  produits par lactivité humaine (aspect
  descriptif) ainsi que de leur mécanismes daction
  et de leurs effets sur lensemble des êtres
  vivants qui peuplent la biosphère (aspect causal)

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1. Introduction

• Quest ce quune pollution?

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1. Introduction

• Pollution Modification défavorable du milieu
  naturel qui apparaît comme un sous-produit de
  laction humaine altérant les critères de
  répartition des flux dénergie, des niveaux de
  radiation, de la constitution physico-chimique du
  milieu naturel et de labondance des espèces
  vivantes.
• En bref, pollution effets de lensemble des
  composants toxiques libérés par lhomme dans la
  biosphère

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1. Introduction

• Quest ce quun polluant?

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1. Introduction

• Polluant toute substance naturelle ou dorigine
  anthropique que lhomme introduit dans un biotope
  donné dont elle était absente ou encore dont il
  modifie ou augmente la teneur (dans leau, lair
  ou les sols selon le biotope) lorsquelle y est
  spontanément présente.
• Peut agir comme un polluant
• - Toute modification dun processus physique qui
  conduit à accroître les flux dénergie ou les
  niveaux de radiation dans lenvironnement,
• - Espèce allochtone introduite dans un écosystème
  éloigné de son aire dorigine

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Caulerpa taxifolia une espèce allochtone en
Méditerranée
1. Introduction
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1. Introduction
Caulerpa taxifolia une espèce allochtone en
Méditerranée
Découverte en 1984 à Monaco. Aujourdhui plus de
1500 Ha entre la France et lItalie.
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Produits dorigine anthropique arrivant en Mer
1. Introduction
Marées Noires Armement et munitions
diverses Déchets en provenances de
bateaux Déchets industriels et nucléaires
Epaves Stations de forage pétrolier Précipitations
atmosphériques (métaux lourds et
hydrocarbures) Déchets industriels Déchets
urbains et routiers Eaux dégouts Gaz
déchappement via atmosphère Engrais et
pesticides Eaux de refroidissement
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Produits dorigine anthropique arrivant en Mer
1. Introduction

• Déchets dégradables, essentiellement du matériel
  organique sujet aux attaques bactériennes et à
  certains processus oxidatifs
• Fertilisants nitrates et phosphates
• Déchets stables comme les métaux lourds et les
  halogénés
• Déchets solides généralement inertes

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1. Introduction
15
1. Introduction
Mer Réceptacle final de toute pollution
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Environ 5 billions de tonnes de produits
chimiques synthétisés annuellement
1. Introduction
Canada 1000 nouvelles substances par an mises
sur le marché (peintures, alimentaire, industries)
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Plan du cours

• 1. Introduction
• 2. Comment mesurer limpact dun polluant?
• 3. Répercussion sur les écosystèmes
• 4. Classification des polluants
• 5. Les métaux traces
• 6. Les organochlorés et autres micropolluants
• 7. Dégradation et métabolisation des
  micropolluants
• 8. Etude de cas La Mer dAral

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2. Impact dun polluant?
?
chemicals
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Cinq critères pour évaluer limpact dune
substance anthropique
2. Impact dun polluant?

• (2.1.) Quantité. - ppm/ppb et mM
• (2.2.) Persistance. - Temps de demi-vie
• (2.3.) Toxicité. - LC50 and LD50
• (2.4.) Bioaccumulation, bioconcentration et
  biomagnification - KOW et autres paramètres
  physico-chimiques
• (2.5.) Autres métabolites e.g. DDT/DDE

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(2.1.) Quantités et concentrations
2. Impact dun polluant?

• Concentrations généralement exprimées en ppm/ppb
  or mM
• ppm 1 part par million 1 gramme/106grammes
• 1 mg/litre ou µg/g
• ppb 1 part par billion 1 gramme/109grammes
• 1 mg/litre
• mM millimole 10-3moles and mM micromoles
  10-6moles

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(2.2.) Temps de demi-vie
2. Impact dun polluant?

• Temps nécessaire pour que la moitié dune
  quantité ou dune concentration dun polluant
  disparaisse du biotope ou dun organisme quil
  contamine

Polluant Temps de demi-vie
DDT 15 ans
Lindane 2 ans
Parathion 130 jours
Malathion 11 jours
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(2.3.) Toxicité
2. Impact dun polluant?

• Tests de toxicité aiguë et sub-aiguë

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Estimation de la toxicité de différents produits
2. Impact dun polluant?
Substance Dose toxique (mg/kg)
Alcool éthylique 10 000
NaCl (sel de cuisine) 4000
Fer (en tablettes) 1500
Nicotine 1
Dioxine 0.0001
Toxine botulique 0.00001
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Notion de toxicité
2. Impact dun polluant?
 Sola dosis fecit venenum 
Paracelse (1493-1541)
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Relation dose-réponse
2. Impact dun polluant?
Effet maximal
Effets sur lorganisme
Effet croissant
Pas deffet
Dose croissante
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Mesure de la Toxicité
2. Impact dun polluant?
DL50
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Effets létaux CL50 et DL50
2. Impact dun polluant?

• La CL50 est définie comme la concentration
  létale càd la concentration dun polluant
  toxique de lair ou des eaux provoquant 50 de
  mortalité dans une population exposée à ce
  dernier pendant une période de temps fixée,
  généralement entre 24 et 96h.
• La DL50 est définie comme étant la dose létale.
  Cest la dose provoquant la mort de 50 des
  organismes exposés au bout dune période de temps
  fixée, généralement entre 24 et 96h. Dans ce
  cas, le produit toxique est directement
  administré via lalimentation ou par injection.

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Effets subléthaux ? Déformations squelettiques
des poissons pêchés dans le sud de la Mer du
Nord  cas du turbot (action des hydrocarbures et
métaux lourds)
2. Impact dun polluant?
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Effets subléthaux ? Malformations de larves de
polychètes sous laction de sulfates de cuivre et
de zinc et détergents
2. Impact dun polluant?
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Facteurs affectant ou modifiant la toxicité
2. Impact dun polluant?

• Sexe influence du métabolisme
• Alimentation au moment de lexposition
• Age et état de santé
• Hormones (e.g. en cas de grossesse)
• Conditions expérimentales durant le test de
  toxicité
• Espèce

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Toxicité du chlorpyrifos insecticide
organophosphoré
2. Impact dun polluant?
Espèce LD50
poulets 32 mg/kg
souris 60 mg/kg
rats 95 to 270 mg/kg
cochons dInde 500-504 mg/kg
moutons 800 mg/kg
lapins 1000 mg/kg
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Evaluation du risque
2. Impact dun polluant?

• Lowest observed effect level (LOEL)
• No observed effect level (NOEL) dose la plus
  élevée sans effet décelable sur lanimal
• TDI (Tolerable Daily Intake). Selon la qualité de
  la courbe on divise par 100 ou par 1000 la NOEL
• Implique lexistence dune limite en dessous de
  laquelle il ny a pas deffets néfastes pour la
  santé humaine

LOEL
NOEL
TDI
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2. Impact dun polluant?
Que nous apprend un test de toxicité?

• Permet de quantifier spécifiquement la toxicité
  dun produit chimique pour un organisme.
• Permet de fixer des limites maximales ou
  tolérables No Observed Effect LevelNOEL
  (législations)
• Les tests sont hautement standardisés espèces,
  sexe, age, état de santé.
• Permettent de retirer de la circulation des
  composés toxiques et sont utilisés pour
  lévaluation du risque engendré par ce composé.

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2. Impact dun polluant?
Quelles sont les limites de ces tests?

• Les tests de LD50 et LC50 sont des tests
  dépendants du temps (24 à 96h).
• Ne reflète pas les conditions environnementales.
• Ces tests sont hautement spécifiques et les
  résultats ne sont pas extrapolables à dautres
  espèces.

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2. Impact dun polluant?
Illustration de la notion de toxicitéEffets
toxicologiques du 2,4-D
2,4-D (2,4-dichlorphenoxyacetic acid, composant
de lagent orange)
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Agent orange (2,4-D et 2,4,5T)
2. Impact dun polluant?
50 000 t répandues pendant le conflit du Vietnam
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Illustration de la notion de toxicitéEffets
toxicologique du 2,4-D
2. Impact dun polluant?

• Toxicite aigue
• LD50
• rats 375-666 mg/Kg
  souris 370 mg/Kg
• LC50
• truite 1-100 mg/l
• Toxicité chronique
• rats (50 mg/Kg)/jour pas deffets
• chien lt50 mg/Kg/jour Mort

• Autres test de toxicité
• Effets sur la reproduction
• Effets tératogènes, i.e. e.g. 150 mg/Kg par jour
  durant les jours 6-15 accroissent les
  déformations squelettiques chez le rat
• Effets mutagènes
• Effets carcinogènes

• Environnement
• Taux de dioxines encore décelables dans les sols
  et sédiments des mangroves

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(2.4.) paramètres physico-chimiques
2. Impact dun polluant?
Kaso
Air Ca
Sol CSo
Environnement atmosphérique et terrestre
Kaw
Sédiments en suspension Cse
Kbw
Eau Cw
Biotope Cb
Ksew
Ksew
Environnement aquatique
Sédiments Cse
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(2.4.) Paramètres physico-chimiques
2. Impact dun polluant?

• Hydrosolubilité Sw
• Pression de vapeur P
• Vitesse de volatilisation Ki
• Coefficient dabsorption Koc
• Liposolubilité Pow, solubilité dans les solvants
  organiques (coefficient octanol eau)

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(2.4.) Paramètres physico-chimiques
2. Impact dun polluant?
Coefficient de partage octanol/eau ou Kow mesure
du degré dhydrophobie (ou de lipophilie) dune
substance Log Fc a log Kow b Fc
concentration dans lorganisme concentration
dans leau
Fc
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
Le facteur de bioconcentration dépend directement
du coefficient octanol-eau
Kow
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• Bioconcentration accumulation du polluant à
  partir du milieu ambiant
• Fc concentration dans lorganisme
• concentration dans leau

• Biomagnification accumulation du polluant dans
  un prédateur à partir de sa proie
• Fm concentration dans le prédateur
• concentration dans la proie

• Bioaccumulation bioconcentration
  biomagnification

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(2.4.) Paramètres physico-chimiques
2. Impact dun polluant?

1. Substances solubles nitrobenzène, phénols
2. Substances volatiles chloroforme
3. Substances liposolubles (Koc et Pow élevés) PCB,
   DDT, HCB
4. Substances intermédiaires entre 1 et 3 mais
   non-volatiles autres organochlorés et
   organophosphorés

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(2.5.) Formations de métabolites
2. Impact dun polluant?

• Cas du DDT (dichloro diphenyl
  trichloroéthane) et de son métabolite, le DDE
  (dichloro diphenyl dichloroéthane

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Réduction de lépaisseur de la coquille des oeufs
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Plan du cours

• 1. Introduction
• 2. Comment mesurer limpact dun polluant?
• 3. Répercussion sur les écosystèmes
• 4. Classification des polluants
• 5. Les métaux traces
• 6. Les organochlorés et autres micropolluants
• 7. Dégradation et métabolisation des
  micropolluants
• 8. Etude de cas La Mer dAral

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3. Répercussion sur les écosystèmes
3.1. Impact sur lorganisme 3.2. Impact sur une
population 3.3. Impact sur une communauté
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organisme-population-communauté
3. Répercussion sur les écosystèmes
Algues
Bernacles
Moules
Patelles
Gastéropodes
Algues brunes
Individu Étude de la croissance CL50 Comportement
Reproduction
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3. Répercussion sur les écosystèmes
3.1. Impact sur lorganisme 3.2. Impact sur une
population 3.3. Impact sur une communauté
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Individu-population-communauté
3. Répercussion sur les écosystèmes
Algues
Bernacles
Moules
Patelles
Gastéropodes
Algues brunes
Population Distribution des Tailles Croissance
de la population Abondance Condition
50
3.2. Impact sur une population
3. Répercussion sur les écosystèmes
Mesure des changements affectant une population
? mesure de la densité ou de la biomasse et
comparaison avec sites contrôles
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3.2. Impact sur une population
3. Répercussion sur les écosystèmes

• concept despèces-clés
•  
• espèces intéressantes à conserver  oiseaux et
  mammifères marins (prédateurs)
• espèces commerciales  morue ou hareng
• espèces dont la présence ou labsence peuvent
  avoir des répercussions majeures sur leur
  environnement (patelles sur substrat rocheux)
• espèces indicatrices très sensibles ou
  résistantes à la pollution (polychètes)  leur
  présence ou absence sont révélatrices dune
  certaine pollution

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3. Répercussion sur les écosystèmes
3.1. Impact sur lorganisme 3.2. Impact sur une
population 3.3. Impact sur une communauté
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Individu-population-communauté
3. Répercussion sur les écosystèmes
Algues
Bernacles
Moules
Patelles
Gastéropodes
Algues brunes
Communauté Diversité spécifique Composition
spécifique Abondance et biomasse relative
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3.3. Impact sur une communauté
3. Répercussion sur les écosystèmes

• Via des indices exprimant la diversité  ex. 
  Nbre despèces par aire étudiées

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Différents types de paramètres mesurables
3. Répercussion sur les écosystèmes
Paramètres physico-chimiques Indices biocénotiques Bioindicateurs Biomarqueurs
N, P, O2, DBO Indices de diversité Espèces indicatrices (abondance, présence absence) Marqueurs biochimiques, cytologiques et physiologiques
Bioaccumulateurs Biocapteurs et marqueurs éthologiques Bioaccumulateurs Biocapteurs et marqueurs éthologiques Bioaccumulateurs Biocapteurs et marqueurs éthologiques Bioaccumulateurs Biocapteurs et marqueurs éthologiques
Ecosystèmes Communautés Populations Individus et niveaux infraindividuels
Approche physico-chimiques Approche biologique Approche biologique Approche biologique
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Biomarqueurs
3. Répercussion sur les écosystèmes

• Changement observable et mesurable au niveau
  moléculaire, biochimique, cellulaire,
  physiologique ou comportemental qui révèle une
  exposition présente ou passée dun individu à au
  moins une substance chimique à caractère polluant

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Bioindicateurs
3. Répercussion sur les écosystèmes
Espèce ou groupes despèces qui par leur présence
et/ou leur abondance sont significatifs dune ou
de plusieurs propriétés de lécosystème dont ils
font partie
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Huitres et zinc
1. Espèce bioaccumulatrice espèce qui
bioaccumule certains contaminants via le milieu
ambiant ou via la nourriture.  
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Ulva et azote
2. Espèce sentinelle  toute espèce vivante
susceptible dêtre utilisée en tant quindicateur
de la présence ou de la toxicité dun
contaminant  
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Espèces à risque
3. Répercussion sur les écosystèmes
Espèces indispensables au bon fonctionnement de
lécosystème ou intéressantes du point de vue
économique pollinisateurs en milieu terrestres,
harengs, prédateurs
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Espèces-cibles
2. Répercussion sur les écosystèmes

• Espèces exposées à dessein à certains biocides
• Le moustique exposé au DDT

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En résumé que devient un produit chimique dans
lenvironnement?
2. Répercussion sur les écosystèmes
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En résumé que devient un produit chimique dans
lenvironnement?
Contamination environnementale
2. Métabolisation par les organismes
organismes
Modifications de la structure et du
fonctionnement des communautés (espèces,
diversité, changement dans les relations
proies-prédateurs)
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Sites web consultés

• http//www.isima.fr/ecosim/Welcome.html
• http//jm.saliege.com/paracelse.htm